編碼器與光柵學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1編碼器與光柵編碼器與光柵(gungshn)第一頁，共29頁。傳感器與檢測(cè)(jin c)技術(shù)第4章 光電式傳感器光 柵1.2光電碼盤.2第1頁/共29頁第二頁，共29頁。第4章光電式傳感器光電碼盤 編碼器主要分為脈沖盤式和碼盤式兩大類： 脈沖盤式編碼器不能直接輸出數(shù)字編碼，需要增加有關(guān)數(shù)字電路才可能得到數(shù)字編碼。而碼盤式編碼器能直接輸出某種碼制的數(shù)碼(后面將詳細(xì)(xingx)說明)。這兩種形式的數(shù)字傳感器，由于它們具有高精度、高分辨率和高可靠性，已被廣泛應(yīng)用于各種位移量的測(cè)量。目前，使用最多的是光電編碼器，本節(jié)將重點(diǎn)予以介紹。 碼盤式編碼器也稱為絕對(duì)編碼器，它將角度或直線

2、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)(如微機(jī))聯(lián)接。編碼器按其結(jié)構(gòu)可分為接觸式、光電式和電磁式三種，后兩種為非接觸式編碼（絕對(duì)編碼器）碼盤式編碼器增量編碼器脈沖盤式編碼器編碼器)(光電式編碼器電磁式編碼器接觸式編碼器第2頁/共29頁第三頁，共29頁。第4章光電式傳感器絕對(duì)(judu)式接觸式編碼器演示4個(gè)電刷 4位二進(jìn)制碼盤 +5V輸入(shr) 公共碼道 最小分辨(fnbin)角度為=360/2n第3頁/共29頁第四頁，共29頁。 光電式編碼器 接觸式編碼器的分辨率受電刷的限制不可能很高；而光電式編碼器由于使用了體積小、易于集成的光電元件代替機(jī)械(jxi)的接觸電刷，其測(cè)量精度和分辨率能達(dá)

3、到很高水平。 1光電式編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理 光電編碼器的最大特點(diǎn)是非接觸式的。因此，它的使用壽命長(zhǎng)，可靠性高。它是一種絕對(duì)編碼器，幾位編碼器的碼盤上就有幾個(gè)碼道，編碼器在轉(zhuǎn)軸的任何位置都可以輸出一個(gè)固定(gdng)的與位置相對(duì)的數(shù)字碼。這一點(diǎn)，與接觸式碼盤編碼器是一樣的。不同的是光電編碼器的碼盤采用照相腐蝕直線坐標(biāo)編碼示意圖第4章光電式傳感器第4頁/共29頁第五頁，共29頁。第4章光電式傳感器2.碼盤和碼制存在問題：多個(gè)狀態(tài)(zhungti)同時(shí)改變，容易產(chǎn)生粗大誤差第5頁/共29頁第六頁，共29頁。第4章光電式傳感器2.碼盤和碼制解決辦法：格雷碼第6頁/共29頁第七頁，共29頁。 2用插值

4、法提高分辨率 為了提高測(cè)量的精度和分辨率，常規(guī)(chnggu)的方法就是增加碼盤的碼道數(shù)，即增加刻線數(shù)。但是，由于制造工藝的限制，當(dāng)刻度數(shù)多到一定數(shù)量后，就難以實(shí)現(xiàn)了。在這樣的情況下，可以采用一種用光學(xué)分解技術(shù)(插值法)來進(jìn)一步提高分辨率。第4章光電式傳感器第7頁/共29頁第八頁，共29頁。第4章光電式傳感器第8頁/共29頁第九頁，共29頁。第4章光電式傳感器二、增量(zn lin)式編碼器轉(zhuǎn)軸(zhunzhu)盤碼及狹縫(xi fn)光敏元件光欄板及辨向用的A、B狹縫LEDABC零位標(biāo)志ABC第9頁/共29頁第十頁，共29頁。第4章光電式傳感器360 n1 n分辨率辨向信號(hào)(xnho)和零標(biāo)

5、志 光電編碼器的光欄板上有A組與B組兩組狹縫，彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距，兩組狹縫相對(duì)應(yīng)的光敏元件(yunjin)所產(chǎn)生的信號(hào)A、 B彼此相差90相位，用于辯向。當(dāng)編碼正轉(zhuǎn)時(shí)，A信號(hào)超前B信號(hào)90；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時(shí)，B信號(hào)超前A信號(hào)90。(請(qǐng)畫出反轉(zhuǎn)時(shí)信號(hào)B的波形） 第10頁/共29頁第十一頁，共29頁。測(cè)量轉(zhuǎn)速 增量編碼器除直接用于測(cè)量相對(duì)角位移外，常用(chn yn)來測(cè)量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。最簡(jiǎn)單的方法就是在給定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)編碼器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，它所測(cè)量的是平均轉(zhuǎn)速。 第4章光電式傳感器M法T法第11頁/共29頁第十二頁，共29頁。測(cè)量線位移 利用一套機(jī)械裝置(zhungzh)把線位移轉(zhuǎn)換成角位移。測(cè)

6、量系統(tǒng)的精度將主要取決于機(jī)械裝置(zhungzh)的精度第4章光電式傳感器第12頁/共29頁第十三頁，共29頁。圖1027（a）表示通過絲桿將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。例如用一每轉(zhuǎn)1500脈沖數(shù)的增量編碼器和一導(dǎo)程為6mm的絲桿，可達(dá)到4m的分辨力。為了提高(t go)精度，可采用滾珠絲桿與雙螺母消隙機(jī)構(gòu)。圖（b）是用齒輪齒條來實(shí)現(xiàn)直線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的一種方法。一般說，這種系統(tǒng)的精度較低。圖（c）和（d）分別表示用皮帶傳動(dòng)和摩擦傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)線位移與角位移之間變換的兩種方法。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別適用于需要進(jìn)行長(zhǎng)距離位移測(cè)量及某些環(huán)境條件惡劣的場(chǎng)所。 無論用哪一種方法來實(shí)現(xiàn)線位移角位移的轉(zhuǎn)換，一般增量編

7、碼器的碼盤都要旋轉(zhuǎn)多圈。這時(shí)，編碼器的零位基準(zhǔn)已失去作用。為計(jì)數(shù)系統(tǒng)所必須的基準(zhǔn)零位，可由附加的裝置來提供。如用機(jī)械、光電等方法來實(shí)現(xiàn)。第4章光電式傳感器第13頁/共29頁第十四頁，共29頁。 計(jì)數(shù)和辨向?yàn)榱?wi le)辨別碼盤旋轉(zhuǎn)方向，可以采用下圖所示的電路利用A、B兩相脈沖來實(shí)現(xiàn)。光電元件A、B輸出情號(hào)經(jīng)放大整形后，產(chǎn)生P1和P2脈沖。將它們分別接到D觸發(fā)器的D端和CP端，由于A、B兩相脈沖(P1和P2) 脈沖相差90，D觸發(fā)器FF在CP脈沖(P2)的上升沿觸發(fā)。正轉(zhuǎn)時(shí)P1脈沖超前P2脈沖，F(xiàn)F的Q“1”表示正轉(zhuǎn)；當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí)，P2超前P1脈沖，F(xiàn)F的Q“0”表示反轉(zhuǎn)?？梢杂肣作為控制可逆計(jì)

8、數(shù)器是正向還是反問(fnwn)計(jì)數(shù)，即可將光電脈沖變成編碼輸出。C相脈沖接至計(jì)數(shù)器的復(fù)值端，實(shí)現(xiàn)每碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈復(fù)位一次計(jì)數(shù)器的目的。碼盤無論正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器每次反映的都是相對(duì)于上次角度的增量，故這種測(cè)量稱為增量法。 第4章光電式傳感器第14頁/共29頁第十五頁，共29頁。四倍頻細(xì)分電路原理圖如圖1029（a）所示。輸出(shch)x1與x2信號(hào)作為計(jì)數(shù)器雙時(shí)鐘輸人信號(hào)。按電路圖可得如下邏輯表達(dá)式：細(xì)分電路(dinl) 第4章光電式傳感器第15頁/共29頁第十六頁，共29頁。第4章光電式傳感器第16頁/共29頁第十七頁，共29頁。 Q1、Q2、Q3和 Q4分別與S1、S2和相對(duì)應(yīng)。當(dāng)正向轉(zhuǎn)動(dòng)

9、時(shí)，S1信號(hào)超前S2相位/2。電路各點(diǎn)的波形如圖1029（b）所示，與門輸出Y1、Y2、Y3和Y4的脈沖寬度僅為S1或S2信號(hào)脈沖寬度的一半，相位差為/2。單穩(wěn)電路輸出Q1、Q2、Q3和 Q4的脈沖寬度應(yīng)盡可能窄，至少要小于S1信號(hào)最小脈沖寬度的12，但同時(shí)要滿足與Y1、Y2、Y3和Y4相“與”的要求。由圖1029可知，在S1信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，得到了四個(gè)加計(jì)數(shù)脈沖輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了四倍頻的加計(jì)數(shù)。由于光柵與光電增量(zn lin)編碼器的輸出基本相同，上述測(cè)量電路同樣可用作光柵測(cè)量電路。第4章光電式傳感器第17頁/共29頁第十八頁，共29頁。第4章光電式傳感器光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透

10、光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光器件(qjin)。按工作原理，有物理光柵和計(jì)量光柵之分，前者的刻線比后者細(xì)密。物理光柵主要利用光的衍射現(xiàn)象，通常用于光譜分析和光波長(zhǎng)測(cè)定等方面；計(jì)量光柵主要利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象，它被廣泛應(yīng)用于位移的精密測(cè)量與控制中。按應(yīng)用需要，計(jì)量光柵又有透射光柵和反射光柵之分，而且根據(jù)用途不同，可制成用于測(cè)量線位移的長(zhǎng)光柵和測(cè)量位移的圓光柵。光 柵 第18頁/共29頁第十九頁，共29頁。第4章光電式傳感器尺身尺身安裝(nzhung)孔 反射式掃描(somio)頭 （與移動(dòng)部件固定）掃描(somio)頭安裝孔可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)磁柵第19頁/共29頁第二

11、十頁，共29頁。第4章光電式傳感器掃描頭（與移動(dòng)部件(bjin)固定）光柵尺可移動(dòng)(ydng)電纜光柵的外形(wi xn)及結(jié)構(gòu)（續(xù)）第20頁/共29頁第二十一頁，共29頁。第4章光電式傳感器莫爾條紋的光學(xué)(gungxu)放大作用 在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成(xngchng)亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開處，由于相互擋光作用而形成(xngchng)暗帶。 光柵的刻線(k xin)寬度W莫爾條紋的寬度L LW/ ，（為主光柵和指示光柵刻線的夾角，弧度） 第21頁/共29頁第二十

12、二頁，共29頁。條紋間距L與柵距W和夾角有如下(rxi)關(guān)系：2tg 2WL2cosWW 2cos222tg tg sin222WWWWL 當(dāng)指示光柵沿著主光柵刻線的垂直方向(fngxing)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將會(huì)沿著這兩個(gè)光柵刻線夾角的平分線的平行方向(fngxing)移動(dòng)，光柵每移動(dòng)一個(gè)W，莫爾條紋也移動(dòng)一個(gè)間距B。 越小，B越大，當(dāng)小于1以后，可使BW，即莫爾現(xiàn)象具有使柵距放大的作用。因此，讀出莫爾條紋的數(shù)目比讀光柵刻線的數(shù)目要方便得多。通過光柵柵距的位移和莫爾條紋位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以容易地測(cè)量莫爾條紋移動(dòng)數(shù)，獲取小于光柵柵距的微小位移量。第4章光電式傳感器第22頁/共29頁第二十三頁，

13、共29頁。第4章光電式傳感器莫爾條紋(tio wn)演示第23頁/共29頁第二十四頁，共29頁。第4章光電式傳感器 有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與指示光柵的夾角 =1.8，則： 分辨力 =柵距W =1mm/50=0.02mm=20m （由于柵距很小，因此無法觀察光強(qiáng)的變化） 莫爾條紋(tio wn)的寬度是柵距的32倍： L W/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察”莫爾條紋(tio wn)光強(qiáng)的變化。第24頁/共29頁第二十五頁，共29頁。第4章光電式傳感器 1光電轉(zhuǎn)換

14、主光柵和指示光柵作相對(duì)位移產(chǎn)生了莫爾條紋，莫爾條紋需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路才能將光信弓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件(yunjin)組成，如右圖 (a)所示。當(dāng)兩塊光柵作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，光敏元件(yunjin)上的光強(qiáng)光柵(gungshn)式傳感器的測(cè)量電路隨莫爾條紋移動(dòng)而變化。在a處兩光柵(gungshn)刻線重疊，透過的光強(qiáng)最大，光電元件輸出的電信號(hào)也最大；c處由于光被遮去一半，光強(qiáng)減??；d處的光全被遮去的成全黑，光強(qiáng)為零；若光柵(gungshn)繼續(xù)移動(dòng)，透射到光敏元件上的光強(qiáng)又逐漸增大，因而形成了如上圖 (b)所示的輸出波形。 光敏元件輸出的波形可近似用如下公式描述： 式

15、中 U0 輸出信號(hào)的直流分量； Um 輸出信號(hào)的交流信號(hào)幅值； x 光柵(gungshn)的相對(duì)位移量。WxUUUm2sin0第25頁/共29頁第二十六頁，共29頁。第4章光電式傳感器 2辨向原理(yunl) 為了辨別主光柵是向左還是向右移動(dòng)，可在相隔1/4條紋間的位置上安裝兩只光敏元件，這兩只光敏元件輸出信號(hào)U1、U2的相位差將為/2，可以根據(jù)它們超前/滯后的關(guān)系判別出指示光柵的移動(dòng)方向，如下圖所示。 兩種信號(hào)經(jīng)整形后得到方波U1/和U2/。U2/ 作為門控信號(hào)同U1/的微分信號(hào)一起輸入到與門Y1、同U1/倒相后的微分信號(hào)一起輸入到與門Y2。光柵右移時(shí)，U2/超前U1/，則先于U1/的微分信

16、號(hào)打開了Y1，可從Y1得到向右移動(dòng)脈沖(michng)輸出（Y1稱為右移動(dòng)脈沖(michng)輸出端）；而U1/倒相后的微分信號(hào)到達(dá)Y2時(shí)Y2已關(guān)閉，則Y2（左移動(dòng)脈沖(michng)輸出端）沒有輸出，反之亦然。這樣就實(shí)現(xiàn)了主光柵左右移動(dòng)的方向辨別和移動(dòng)脈沖(michng)的輸出。第26頁/共29頁第二十七頁，共29頁。第4章光電式傳感器 3細(xì)分原理 如果僅以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀到整數(shù)莫爾條紋；倘若要讀出位移為0.1m，勢(shì)必要求每毫米到線1萬條，這是目前工藝水平無法實(shí)現(xiàn)的。如果采用柵距細(xì)分技術(shù)可以獲得更高的測(cè)量精度。常用的細(xì)分方法有直接倍頻細(xì)分法、電橋細(xì)分法等。這里僅以四倍頻細(xì)分為例介紹直接倍頻細(xì)分法。 在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放置四個(gè)光電元件，如右下圖(a)所示，得